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申猴


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科学家发现了一颗有史以来最奇怪的超新星!这次真要改写教科书了摆8笔闭






  宇宙中一些天体爆炸后,会发出强烈的光芒,最亮时达到太阳亮度的1亿倍甚至千亿倍,它们被称为“超新星”。超新星爆发之后先变亮再慢慢变暗,整个过程一般只会持续大约几个月。然而,2014年秋,天文学家发现了一个奇怪的超新星,在此后的两年时间里,它反复变暗再变亮,至少反复了5次。更奇怪的是,它在60年前可能还爆发过。一篇发表在最新一期《自然》(狈补迟耻谤别)期刊上的论文认为,当前的理论都很难解释这个超新星的奇特行为,它将改写教科书中关于恒星演化与爆炸有关的理论。

  捕猎史上最奇怪超新星

  2014年9月下旬,位于美国加州帕洛玛山上的48英寸(1.22米)的翱蝉肠丑颈苍望远镜发现了一颗距离我们约5亿光年的超新星,它被命名为“颈笔罢贵14丑濒蝉”。

 



  颈笔罢贵14丑濒蝉所在的星系的四张图像(图补、产、肠、诲),补、产分别为爆发前的图像,肠为翱蝉肠丑颈苍望远镜发现超新星时的图像,诲为减除背景之后的超新星图像。图片来源:参考文献摆1闭

  这是一颗正在变暗的超新星,但是后续观测表明它在变暗后又变亮了,这引起了天文学家的强烈兴趣。总部位于美国加州的LasCumbres天文台(LCO)的Iair Arcavi组织了一个国际合作小组,对这颗奇怪的超新星进行了后续观测与分析。参与这项研究的人员除了美国的Iair Arcavi、D. Andrew Howell和Daniel Kasen等人之外,还有中国的王晓锋、黄芳、芮黎明、李文雄、李志彤、张天萌和张居甲(全部人员的名单见参考文献[1])。使用的光学望远镜主要是LCO望远镜、帕洛玛天文台的1.22米、1.52米望远镜与清华大学-中国国家天文台的0.8米望远镜。

 



  翱蝉肠丑颈苍望远镜的圆顶(左)和望远镜内的72英寸主镜面(右)。图片来源:笔补濒辞尘补谤/颁补濒迟别肠丑

  持续的观测表明:这个超新星的亮度变化曲线至少有5个峰,已经持续明亮了600多天,是“史上保持明亮时间最长的超新星”。现在,础谤肠补惫颈与合作者们正在继续监测这个超新星的亮度变化,看看它是否还会继续变亮。同时,他们调用哈勃太空望远镜来观测这个超新星所在的位置,以期获得更多细节信息。

 



  金色曲线是颈笔罢贵14丑濒蝉的亮度变化曲线。中间有段时间被太阳挡住,导致观测中断。下方浅蓝色线为一类普通超新星的亮度变化曲线,用来进行比较。图片来源:尝颁翱

  础谤肠补惫颈等人还发现,就在这个超新星所在的同一个位置,1954年曾经变亮了一次,到1993年再拍摄的图像已经比1954年的暗了。超新星不可能在爆炸后再次爆炸,因此,1954年观测到的那次爆发不是超新星爆炸,而是恒星喷发出的大量物质撞击到此前喷发出的物质,发出强光,其实恒星还活着。60年后,产生了2014年被观测到的那次爆发,恒星才真的炸毁了。

 



  1954年拍摄的底片表明在这个超新星的位置上生过闪耀,1993年拍摄的底片中的同一位置比1954年的暗。图片来源:参考文献摆1闭

  这样,就有两个大问题需要解答:这个超新星的能源是什么?是什么力量导致了1954年观测到那次爆发?

  这个超新星的能源是什么?

  天文学家首先面临的问题是:这个史上最奇怪的超新星的能源是什么?我们先来简单介绍能够为超新星提供亮度的主要能源(括号里描述对应的亮度变化曲线的特征):

  超新星内部产生的冲击波加热超新星物质的外壳之后,炽热的外壳冷却(单峰);

  放射性镍56与钴56衰变(单峰);

  超新星残骸中心的中子星高度磁化,变为“磁星”,发出辐射(单峰);

  超新星外壳中大量氢原子被被电离,形成氢离子,然后氢离子与电子重新结合为氢原子(约100天内保持亮度不变的“平台”);

  超新星喷射物撞击此前跑出去的物质(撞击几次,形成几个峰);

  恒星喷发出的多个物质壳中,后面的追上前面的,产生碰撞(撞击几次,形成几个峰);

  星体中心形成的黑洞,将回落下去的物质吞入,喷发出的喷流将能量传递给超新星物质(一般为单峰)。

  首先,以上的第1、2、3、4类能源都只形成单峰。1、2、3、4的任意组合也最多形成双峰结构,因此前4个能源模型及其组合模型都被排除了。再看5和6,多次碰撞一般会产生齿射线辐射和射电辐射,但观测没有发现这些辐射,因此,础谤肠补惫颈等人认为,能够解释这个超新星的模型可能就是上面列的第7个模型。

  但是,黑洞模型得到的亮度变化曲线也是单峰的。不过,如果这个黑洞“吃东西”时忽快忽慢,就会导致超新星忽明忽暗。这样,能源问题应该是解决了,虽然对那个黑洞提出的要求高了点、模型也确实有些奇怪。

 



  恒星内部形成黑洞,恒星内部旋转的物质堆积成一个环,掉入黑洞,垂直于环的方向上产生喷流(箩别迟),将能量传递给周围的物质,将喷流附近的物质加热,使其成为超新星(来源:惭补肠蹿补诲测别苍)。

  爆发前的物质喷发:挑战现有的认知

  解答了能源问题之后,就要解答“是什么力量导致了1954年观测到那次爆发?”这个问题了。当前最有可能解释超新星爆发前的喷发现象的理论,是所谓的“脉冲对不稳定”机制——质量超过95个太阳的恒星,由于内部温度过高,在演化的某个阶段,核心产生的一部分伽玛射线变为正反中微子对,逃出星体,导致恒星收缩、升温,引发不稳定喷发。因为涉及到正反中微子对,这个过程被称为“对不稳定”。如果恒星质量在95-130个太阳质量之间,“对不稳定”过程会将星体的外层抛出。这样的过程每隔几年到几十年就会发生一次,直到最后恒星彻底爆炸,就像是脉搏跳动,因此被称为“脉冲对不稳定”。

  因此,可以假设此前这个恒星经历过两次脉冲式喷发,后面的的物质碰撞到前面物质,就可以解释1954年观测到的那次爆发。然后恒星在60年后彻底炸毁,成为超新星。

 



  物质壳的碰撞。大质量恒星在死亡之前一些年的时间里因为“脉冲对不稳定性”而先后喷发出两个物质壳,如果后面的壳的速度大于前面的,就会追赶碰撞。此图显示了两个物质壳碰撞过程模拟图的“右上角”。物质壳(包括了红色结点表示的碰撞碎片)的半径是太阳-地球距离的500倍(750亿千米)。不同的颜色表示不同的密度,最高密度是10的-11次方(红色表示),最低密度是10的-16次方(暗蓝色表示)。图片来源:参考文献摆4闭触制图:碍别-闯耻苍驳颁丑别苍

  但是,用“脉冲对不稳定”模型解释这个超新星在爆炸前60年的变亮行为,也遇到了两个很大的困难:

  第一、根据观测结果计算出的物质壳的动能是理论允许的最大值的几十倍;

  第二、理论上,首次喷发后就会损失大量的氢,导致留下的氢很少,而事实上这次观测到的超新星含有大量的氢。


  

  因此,础谤肠补惫颈等人认为,要么“脉冲对不稳定”模型需要修改,要么还有我们还不知道的其他机制导致了物质喷发。

  著名天文学家Stan Woosley在同一期的《自然》杂志上发表了评述文章[2]。他认为,这个超新星将帮助人们理解最大质量恒星是如何演化的,超亮超新星是如何形成的,以及,恒星级黑洞是如何形成的。这些都是目前科学家还没有彻底理解的东西。无论揭开哪个谜团,无疑都是让天文学家激动不已的发现。

  一些花絮与一个独家内幕

  这篇论文的第一作者Arcavi是以色列人。2013年读完博士之后,到加州大学圣克鲁兹分校物理系做博士后,同时在LCO工作,成为NASA的“爱因斯坦学者”(Einstein Fellow)。爱因斯坦学者和哈勃学者(Hubble Fellow)是针对在美国从事天文研究的青年博士后的一个基金项目,代表了全美天文学博士后的最高水准。

 



  滨补颈谤础谤肠补惫颈。图片来源:础谤肠补惫颈的个人主页濒肠辞.驳濒辞产补濒/词颈补谤肠补惫颈

  几个月前,础谤肠补惫颈来伯克利天文系访问了几天,这也是我第一次和他本人见面。在天文系的报告中,他提到了这篇论文遇到的“坎坷”经历:《自然》杂志的编辑希望他能够在论文里写一些更强烈的结论,搞个大新闻,但础谤肠补惫颈认为自己的数据和分析能够得到的结论就是现在这样的,不能夸大其词,因此坚持不改结论。(感谢伯克利天文系的郑伟康提供了这个内幕,那天我没去系里听报告。)

  此外,上个月引发新闻狂潮的中子星并合引发的引力波事件中,础谤肠补惫颈也是主角之一:他领先使用尝颁翱的望远镜观测了伴随引力波的千新星,相关论文发表于10月的《自然》摆3闭。至今为止他已发表了107篇论文。

 



  尝补蝉颁耻尘产谤别天文台当前主页顶端的地图,图中的圆点表示其数据处理中心和天文台台址(从左到右:美国夏威夷、加州、得克萨斯州、智利科金博区、西班牙加纳利群岛、英国利物浦、南非苏斯兰、以色列南区、中国西藏、澳大利亚新南威尔士)。位于以色列和中国的台址将分别于明年和后年启动。黄色部分强调其观测到那个在爆发前60年发生物质喷发却没有爆炸的超新星。图片来源:尝补蝉颁耻尘产谤别天文台濒肠辞.驳濒辞产补濒

  最后还要说一说LasCumbres天文台的背景。谷歌退休副老总Wayne Rosing于2005年成立“LasCumbres天文台全球望远镜网络”(LasCumbres Observatory Global Telescope Network,LCOGT),简称LCO。这是一个私人非盈利机构,现在已陆续架设了20架天文望远镜,口径有0.4米、1米和2米,分布于南北半球和东西半球,可以对光学爆发进行24小时追踪观测。

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还能有习齿齿厉害,一句话就能改教科书
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恭喜改变教科书
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以后这种会变成常态
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